Keramische Membranen zur Trinkwassergewinnung

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1 DAS THEMA MEMBRANTECHNIK Trinkwasser Vorteilhafte Anlagentechnik Keramische Membranen zur Trinkwassergewinnung Uwe MÜLLER Raum für Optimierungspotenzial: Keramische Menbranen kamen innerhalb eines Forschungs - vorhabens zum Einsatz. Der Einsatz von Niederdruckmembranen in der öffentlichen Wasserversorgung zur Entfernung partikulärer Wasserinhaltsstoffe stieg in den letzten Jahren erheblich an. In Europa werden in den Anlagen der öffentlichen Wasserversorgung derzeit ausschließlich Membranen, die aus organischen Materialien bestehen, eingesetzt. Im Gegensatz dazu befanden sich in Japan im Dezember 2009 bereits 92 Anlagen mit einer Kapazität von ca m³/d in Betrieb bzw. im Bau, die mit keramischen Mikrofiltrationsmembranen ausgestattet sind. In den USA wurde mit dem Bau einer Anlage mit keramischen Membranen mit einer Kapazität von ca m³/d begonnen, die in 2012 in Betrieb gehen soll /1/. Darüber hinaus werden weitere keramische Module für die Filtration von Wasser entwickelt /2/. Dies lässt erkennen, dass keramische Membranen bereits heute für den Einsatz in der Praxis der Wasseraufbereitung zunehmend auch in Europa an Bedeutung gewinnen werden. Abhängig von der Rohwasserbeschaffenheit können bei keramischen Membranen deutlich höhere Flüsse im Vergleich zu Polymermembranen erreicht werden. Alternativ kann eine hohe Ausbeute (z. B. 99 %) bei langen Filtrationsintervallen (z. B. 6 h) angestrebt werden. Das Handling keramischer Membranen gestaltet sich prinzipiell einfacher. Beispielsweise ist bei längerer Lagerdauer keine Konservierung erforderlich. Maßnahmen zum Schutz vor Austrocknen sind entbehrlich. Allerdings sind keramische Membranen ähnlich wie Glas spröde und damit bruchempfindlich. Aufgrund der hohen Festigkeit wird dauerhaft eine einwandfreie Integrität erwartet, so dass Aufwändungen hinsichtlich deren Überwachung minimiert werden können. Die keramischen Membranen ebnen den Weg für neue verfahrenstechnische Entwicklungen. Perspektivisch zählen dazu beispielsweise neuartige Spültechniken und Hybridverfahren. Ein Nachteil der keramischen Membra- Vor- und Nachteile keramischer Membranen Keramische Membranen sind qualitativ hochwertige Produkte und bieten gegenüber Polymermembranen eine Reihe von Vorteilen. Dazu zählen insbesondere die Beständigkeit gegenüber mechanischen, chemischen und thermischen Einwirkungen, eine lange Lebensdauer sowie ein vergleichsweise geringerer Membranwiderstand. Als vorteilhaft bezüglich Anlagenplanung und Betrieb keramischer Membranen zur Wasseraufbereitung sind folgende Punkte zu nennen: KERAMISCHE MEMBRANELEMENTE IM GEHÄUSE Bild 1 Foto: atech innovations GmbH, Gladbeck 8 SPECIAL MEMBRANTECHNIK 5/2010

2 -SPECIAL 5/2010 Beispiele von untersuchten Keramikmembranen Bild 2 Foto: TZW nen sind die erheblich höheren Investi - tionskosten im Vergleich zu Polymermembranen. Dies betrifft teilweise auch die peripheren Anlagenteile. Keramische Membranen werden bisher häufig in Edelstahlgehäusen montiert. Spülaggregate und -zuleitungen müssen auf die betrieblich vorteilhaften hohen Spüldrücke der keramischen Membranen ausgelegt werden. Für großtechnische Anwendungen stehen in Hinblick auf den Modulaufbau drei verschiedene Typen zur Auswahl: Monolithische Module verfügen über eine vergleichsweise große Membranoberfläche. Für diesen Typ sind bisher nur Mikrofiltrationsmembranen aus mit TiO 2 beschichteten Al 2 verfügbar. Beim Elementtyp werden mehrere Membranelemente in einem Edelstahlgehäuse als Modul zusammengefasst (Bild 1). Hierbei stehen Mikro-, Ultra- und Nanofiltrationsmembranen und verschiedene Membranmaterialien zur Auswahl. Darüber hinaus werden keramische Membranen in Plattenbauweise angeboten, wobei hier auch zwischen verschiedenen Porengrößen und Materialien zu unterscheiden ist. Aufgrund der unterschiedlichen Materialien sind neben der Modulform und Porenweite auch die Oberflächeneigenschaften (z. B. der isoelektrische Punkt) von praktischer Bedeutung. Vorgehensweise bei den kleintechnischen Versuchen Verschiedene keramische Membranen (Bild 2) wurden im Rahmen eines Forschungsvorhabens im kleintechnischen Maßstab versuchsweise zur Behandlung von Schlammwasser konventioneller Schnellfilter sowie zur Oberflächenwasseraufbereitung eingesetzt. Die Versuchsanlage (Bild 3) arbeitet vollautomatisch wahlweise im Cross-Flow oder im Dead-End Betrieb. Durchflüsse, Drücke und Temperaturen wurden online erfasst. Die kleintechnische Anlage gestattete die Untersuchung verschiedener keramischer Membranelemente (Tabelle 1). Schlammwasserbehandlung Die kleintechnische Versuchsanlage wurde in einem Talsperrenwasserwerk betrieben. Die Aufbereitungsstufen des Wasserwerkes umfassen: Vorfiltration Ozonung Flockung Mehrschichtfiltration (MSF) Kalksteinfiltration und Desinfektion. Schlammwässer der einzelnen Filtra - tionsstufen des Wasserwerks wurden als Feed für die Pilotanlage eingesetzt. Zunächst wurde nicht sedimentiertes Schlammwasser aus der Spülung des der Flockungsstufe nachgeschalteten Zweischichtfilters durch eine keramische Mikrofiltrationsmembran behandelt. Die Entfernung von Wasserinhaltsstoffen zeigt Tabelle 2. Es ist ersichtlich, dass selbst bei hohen Aluminiumgehalten im Feed ein weitgehender Rückhalt erfolgt. Die Abnahme der Gehalte an organischen Stoffen, die mittels DOC bzw. SAK (254 nm) erfassbar sind, wird auf Flockungseffekte zurückgeführt. Untersuchte keramische Membranen Tab. 1 Trenngrad Membran- Kanalanzahl Kanal- Fläche Hersteller material pro Element durchmesser Element nm mm m² 200 α-al ,13 A 100 α-al ,3 0,20 B 50 α-al ,3 0,20 B 50 TiO 2 /α-al ,13 A 50 TiO 2 /α-al ,3 0,20 C 10 ZrO 2 /TiO 2 /α-al ,3 0,20 C 500 SiC/SiO ,4 0,43 D 200 SiC/SiO ,4 0,43 D MEMBRANTECHNIK SPECIAL 9

3 DAS THEMA MEMBRANTECHNIK Trinkwasser Selbst bei hohen Trübungen im Feed (z. B. 370 NTU) wurden im Filtrat der keramischen Mikrofiltrationsmembran Partikelgehalte (Größenbereich μm) von ca. 10 Partikel/ml erzielt. Unmittelbar nach Spülungen oder einer Reinigung traten jedoch etwas höhere Werte auf (Bild 4). Nicht sedimentierte Schlammwässer aus der Spülung der einzelnen Filterstufen des Wasserwerkes wurden als Feed für die Pilotanlage genutzt. Sie wiesen unterschiedliche Trübstoff- und TOC-Gehalte auf. Die ermittelten Membrangesamtwiderstände bei den drei unterschiedlichen Schlammwassertypen (Typ 1 3) einstellten zeigt Bild 5. Bei Typ 1 handelte es sich um Schlammwasser aus der Vorfiltrationsstufe, die unbehandeltes Talsperrenwasser filtriert. Typ 2 war Schlammwasser aus der Mehrschichtfiltrationsstufe (MSF), über die ozoniertes und geflocktes Talsperrenwasser geführt wird. Das Schlammwasser aus der abschließenden Kalksteinfiltrationsstufe entspricht Typ 3. Es ist ersichtlich, dass bei der Filtration dieser Schlammwassertypen unterschiedliche Membrangesamtwiderstände resultierten. Der geringste Membrangesamtwiderstand stellte sich bei der Filtration von Schlammwasser aus der Kalksteinfiltrationsstufe ein, obgleich dessen Trübung mit 153 NTU wesentlich höher lag als die Trübung des Schlammwassers aus der Vorfiltrationsstufe mit lediglich 44 NTU. Hingegen wies das Schlammwasser der Vorfiltra - tionsstufe mit 5,8 mg/l TOC eine höhere Huminstoffkonzentration auf im Vergleich zum Schlammwasser der Kalksteinfiltrationsstufe mit lediglich 1,9 mg/l TOC. Im vorliegenden Fall besteht keine Korrelation zwischen der Trübung im Feed und dem resultierenden Membranwiderstand. Hierbei ist auch der Einfluss des TOC von Bedeutung. KLEINTECHNISCHE ANLAGE: Bild 3 zur Untersuchung verschiedener keramischer Membranelemente Foto : TZW Filtration von Oberflächenwasser Ein Vorteil beim Einsatz keramischer Membranen besteht darin, dass deren Beaufschlagung mit ozonhaltigem Feed möglich ist. Dadurch kann beispielsweise bei der Filtration von Oberflächenwässern organischem und biologischem Fouling entgegen gewirkt werden. Ein Betrieb mit vorozoniertem und geflocktem Talsperrenwasser wurde im Pilotversuch mit keramischen Membranen unterschiedlicher Porenweiten und Materialien getestet. Hierbei erfolgte die Spülung lediglich mit Filtrat bei feedseitiger Unterstützung durch Spülluft ohne Zusatz von Chemikalien. Bei einer Porenweite von 0,2 μm stellte sich während des Betriebs sowohl für Membranen aus Al 2 als auch aus SiC/SiO 2 ein konstanter Gesamtmembranwiderstand ein (Bild 6). Hingegen stieg bei einer Porenweite von 0,5 μm der Membrangesamtwiderstand während der Filtration ungeachtet eines Restozongehalts im Feed an. Der mittlere, anzahlgewichtete Nano - partikeldurchmesser der partikulären Substanzen des Feeds lag mit nm deutlich unter der Porenweite der eingesetzten Membran, so dass die Partikel des Feed in die Kanäle der Membran eindringen konnten und möglicherweise zu einer Verblockung der Poren führten. Im diesem Beispiel war beim Einsatz von Membranen mit einer Porenweite kleiner als die Größe der Partikel im Feed ein geringerer Membrangesamtwiderstand zu verzeichnen. 10 SPECIAL MEMBRANTECHNIK 5/2010

4 -SPECIAL 5/2010 Partikelanzahl im Filtrat einer keramischen Membran während der Filtration von Schlammwasser Bild 4 Organisches Fouling Um eine Aussage zum Fouling durch organische Wasserinhaltsstoffe einer keramischen Ultrafiltrationsmembran im Vergleich zu einer Polymermembran zu erhalten, wurden zwei mit den entsprechenden Membranen bestückte kleintechnische Versuchsanlagen parallel betrieben. Als Feed erhielten beide Versuchsanlagen über Filtersand vorfiltriertes Talsperrenwasser. Die Membranen wurden anschließend einer chemischen Reinigung (CIP) unterzogen. Die dabei anfallenden Abwässer aus der CIP (ph- Wert 11) sowie das Feed wurden einer weitergehenden Charakterisierung in Hinblick auf die natürlichen organischen Wasserinhaltsstoffe (LC/OCD-Analyse) unterzogen (Bild 7). Hierbei sind die polysaccharidischen Komponenten von besonderem Interesse, da diese als wesentliche Verursacher von organischem Fouling angesehen werden. Bei dieser Komponente resultierte im CIP-Abwasser der Polymermembran im Vergleich Beschaffenheit eines Schlammwassers (Mehrschichtfiltration nach Flockung) vor und nach Filtration über eine keramische Membran aus SiC/SiO 2 (Porenweite 0,5 μm) Tab. 2 Parameter Einheit Feed Filtrat Aluminium mg/l 124 0,11 Eisen mg/l 4,4 < 0,01 Mangan mg/l 5,9 0,18 SAK 436 nm mg/l 11 6,6 SAK 254 nm mg/l 0,5 0,2 DOC mg/l 9,1 3,9 MEMBRANTECHNIK SPECIAL 11

5 DAS THEMA MEMBRANTECHNIK Trinkwasser zur Keramikmembran ein deutlich höherer Signalwert. Das CIP-Abwasser der Keramikmembran weist hingegen einen höheren Anteil an Huminstoffen auf. Diese Unterschiede werden als Indikator für unterschiedliche Foulingmechanismen von Keramik- und Polymermembranen angesehen, wobei nach den hier gewonnenen Ergebnissen Keramikmembranen prinzipiell einem geringeren Fouling durch organische Wasserinhalsstoffe unterliegen sollten. Gesamtwiderstände einer keramischen Membran während Bild 5 der Filtration unterschiedlicher Schlammwassertypen eines Wasserwerks Gesamtwiderstände bei Filtration mit vorozoniertem und geflocktem Bild 6 Talsperrenwasser. Nanopartikelanalytik durch NPA/LIBD-Technik: Dr. T. Wagner, Dr. Birgit Hetzer, Karlsruhe Institute of Technology KIT/IFG) Alternative Methoden zur Spülung und Reinigung von keramischen Membranen Während bei Polymermembranen der Spülflux in der Regel l/m²/h beträgt, wurden im Pilotversuch bei der Spülung der keramischen Membranen Flüsse von bis l/m²/h erzielt. Neben einer Anhebung von Spülflux und -druck können unter Berücksichtigung der chemischen, thermischen und mechanischen Stabilität von Keramikmembranen perspektivisch neue Spül- und Reinigungsverfahren entwickelt werden (Tabelle 3). Die Stabilität keramischer Membranen gegenüber Oxidationsmitteln kann neben einem Betrieb mit Restgehalten an Oxidationsmittel im Feed auch durch Spülung bzw. Reinigung mit weitaus höheren Oxidationsmittelgehalten genutzt werden. Bei letzterem bleibt das Filtrat frei von Oxidationsnebenprodukten. Allerdings müssen alle mit dem Spül- bzw. Reinigungsmittel in Kontakt kommenden Materialien (z. B. Dichtungen, Gehäuse) in Hinblick auf die Korrosionsbeständigkeit ausgewählt werden. Bedingt durch die thermische Stabilität erscheint prinzipiell auch ein Ausbau verblockter Membranmodule in der Anlage und ein Ausheizen beim Hersteller möglich, um die ursprüngliche Permeabilität wieder herzustellen. Eine ausreichend hohe mechanische Stabilität wird u. a. bei Einsatz von Ultraschall gefordert. Es sind Beispiele bekannt, bei denen durch Ultraschalleinwirkung auch keramische Membranen geschädigt wurden. Der Eintrag von Ultraschall in das Membranelement erfordert weiterhin technische Verbesserungen. Die mechanische Entfernung von Deckschichten von der Membranoberfläche wird eine relativ begrenzte Effizienz aufweisen, da auch Poren von Fouling betroffen sind. Die vielfältigen Eigenschaften der keramischen Membranen bieten Raum für den Einsatz neuer Spültechniken, wie beispielsweise die Hochfrequenzspülung (Dynamic Cross Flow Pulse /3/). Die Wirksamkeit ausgewählter alternativer Methoden zur Reinigung wurde im Pilotmaßstab untersucht. Dazu wurde zunächst ein Keramikmembranelement mit einem huminstoffhaltigen Wasser solange beaufschlagt bis infolge Fouling ein merklicher Anstieg des Membrangesamtwiderstandes resultierte (Bild 8). Der Vergleich des Reinigungserfolgs erfolgte auf Basis des resultierenden Membrangesamtwi- Alternative Spül- und Reinigungsverfahren für keramische Membranen Tab. 3 Eigenschaft Anwendungsbeispiel Vorteil Nachteil Chemische Stabilität Ozon hohe Reinigungswirkung beständige Materialien erforderlich Thermische Stabilität Ausheizen Energieverbrauch Handling Mechanische Stabilität Ultraschall keine Nebenprodukte komplexes Design Membranschädigung Verbesserung Schalleintrag erforderlich Abrasive Medien Wirkung primär auf Deckschicht weniger effektiv 12 SPECIAL MEMBRANTECHNIK 5/2010

6 -SPECIAL 5/2010 Charakterisierung organischer Wasserinhaltsstoffe in Bild 7 CIP-Abwässern einer Keramik- und einer Polymermembran Einfluss verschiedener Reinigungsmethoden auf Bild 8 den Membrangesamtwiderstand derstandes bei der Filtration von Trinkwasser. Eine Reinigung der Membran mit ozonhaltigem Wasser bei relativ geringer Dosis und Kontaktzeit erhöhte den Membrangesamtwiderstand geringfügig. Durch trockene Lagerung über drei Wochen bei Zimmertemperatur sowie einer manuell ausgeführten Reinigung der Feedkanäle mittels Laborbürste nahm der Membrangesamtwiderstand etwas ab. Eine vollkommene Entfernung aller foulingverursachenden Stoffe von der Membran gelang durch Anhebung von Ozondosis und -kontaktzeit. Folgerungen Keramische Membranen besitzen eine Reihe vorteilhafter Eigenschaften gegenüber Polymermembranen, deren Nutzung sich auch für die Wasseraufbereitung anbietet. Die bestehenden Optimierungspotenziale bieten Raum für die Entwicklung neuer verfahrenstechnischer Konzepte. LITERATUR /1/ Metawater Co., Ltd. Pressemitteilung vom : METAWATER receives first order for ceramic membrane modules in overseas markets. html, Zugriff am /2/ Veolia Water: Pressemitteilung. Innovation in Ceramic Membrane Technology. Zugriff am /3/ Koh, Ch. N.; Wintgens, T.; Melin, T.; Pronk, F. (2008): Microfiltration with silicon nitride micro sieves and high frequency backpulsing. Desalination, 145, S KONTAKT Dr. Uwe MÜLLER DVGW Technologiezentrum Wasser (TZW) Karlsruher Straße Karlsruhe Tel.: 0721/ Fax: 0721/ uwe.mueller@tzw.de MEMBRANTECHNIK SPECIAL 13